DE102020115182B4 - Device for melting and extruding a base material for a melt layer application, printer for 3D printing and method for regulating an application material flow of an extrusion device - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (101, 201) zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials (119) für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit (103, 203) zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials (121) mit einer Vorschubkraft, eine Heizeinheit (111, 211) zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse (113, 213) zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung (117, 217) aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, und die Vorrichtung zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse (113, 213) eine Kraftaufnahmeeinheit (107, 207) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine starre Halteeinheit (225) aufweist, wobei die Extruderdüse (113, 213) an der starren Halteeinheit angeordnet ist, und die Vorrichtung einen federnden Hebelarm (223) aufweist, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit (225) verbunden ist und die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, sodass eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft mittels der Kraftaufnahmereinheit erfassbar und mittels der Regeleinrichtung zur Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit zum Einstellen eines konstanten Auftragsmaterialflusses nutzbar ist.Device (101, 201) for melting and extruding a base material (119) for a melt layer application, the device comprising a feed unit (103, 203) for advancing the base material and a melted application material (121) with a feed force, a heating unit (111, 211 ) for melting the base material into the molten application material and an extruder nozzle (113, 213) for extruding the molten application material for the melt layer application, the device having a control device (117, 217) or the device is assigned a control device, and the device between the feed unit and the extruder nozzle (113, 213) has a force absorption unit (107, 207), characterized in that the device has a rigid holding unit (225), the extruder nozzle (113, 213) being arranged on the rigid holding unit, and the Device has a resilient lever arm (223), wherein the feed unit is arranged on the resilient lever arm, the resilient lever arm is connected to the rigid holding unit (225) and the force receiving unit is arranged on the resilient lever arm, so that a force directed opposite to the feed force by means can be detected by the force absorption unit and can be used by means of the control device to regulate a feed speed of the feed unit to set a constant application material flow.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials mit einer Vorschubkraft, eine Heizeinheit zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Drucker zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform und ein Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung.The invention relates to a device for melting and extruding a base material for a melt layer application, the device comprising a feed unit for advancing the base material and a melted application material with a feed force, a heating unit for melting the base material into the melted application material and an extruder nozzle for extruding the melted application material for the melt layer application, wherein the device has a control device or the device is assigned a control device. The invention further relates to a printer for 3D printing by means of melt layer application on a construction platform and a method for regulating an application material flow of an extrusion device.
Im privaten und industriellen Bereich werden 3D-Drucker eingesetzt, um mittels schichtweisen Auftragens von aufschmelzbarem Ausgangsmaterial Bauteile additiv zu fertigen. Das additive Fertigungsverfahren, auch FFF (Fused Filament Fabrication) genannt, ist ein Extrusionsverfahren, bei welchem üblicherweise thermoplastisches Ausgangsmaterial in Drahtform (auch Filament genannt) dem Extruder zugeführt wird. Das Aufschmelzen erfolgt vor und/oder in einer Extruderdüse mittels eines Heizelementes (auch Hot End genannt). Hierbei wird das Ausgangsmaterial bis zum Erreichen der Extrusionsöffnung der Extruderdüse üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen 180 °C bis 300 °C aufgeschmolzen und durch einen üblichen Düsenquerschnitt von 0,2 bis 0,4 mm extrudiert. Mittels einer Vorschubeinheit wird das feste, filamentförmige Ausgangsmaterial und folglich auch das mittels des Heizelementes aufgeschmolzene Ausgangsmaterial kontinuierlich zur Extrusionsöffnung vorgeschoben. Hierbei wird der Vorschub üblicherweise über einen Controller (Steuergerät) gesteuert, welcher häufig ebenfalls die Temperatur des Heizelementes einstellt.In the private and industrial sectors, 3D printers are used to additively manufacture components by applying meltable raw material layer by layer. The additive manufacturing process, also called FFF (Fused Filament Fabrication), is an extrusion process in which thermoplastic starting material in wire form (also called filament) is usually fed to the extruder. Melting takes place in front of and/or in an extruder nozzle using a heating element (also called hot end). Here, the starting material is usually melted in a temperature range between 180 ° C and 300 ° C until it reaches the extrusion opening of the extruder nozzle and extruded through a usual nozzle cross section of 0.2 to 0.4 mm. By means of a feed unit, the solid, filament-shaped starting material and consequently also the starting material melted by the heating element are continuously advanced to the extrusion opening. The feed is usually controlled via a controller (control device), which often also sets the temperature of the heating element.
Für den Aufbau der einzelnen Schichten beim 3D-Drucken wird die Extruderdüse mittels eines Linearantriebs üblicherweise in einer Ebene in X- und Y-Richtung bewegt, um die Konturen und Flächen mit dem geschmolzenen Ausgangsmaterial schichtweise zu belegen.To build up the individual layers in 3D printing, the extruder nozzle is usually moved in a plane in the X and Y directions using a linear drive in order to cover the contours and surfaces with the melted starting material in layers.
Ein großer Einflussfaktor für die Betriebssicherheit eines 3D-Druckers und die Qualität des Schmelzschichtauftrages stellt die Volumenkonstanz des geschmolzenen Auftragsmaterials dar. Zum einen besteht die Anforderung an einen konstanten Materialfluss und zum anderen muss sich der Druckkopf mit einer Geschwindigkeit proportional zur Geschwindigkeit des extrudierten Auftragsmaterials durch die Extruderdüse bewegen, damit vor allem ein Materialstau beim Schichtaufbau vermieden wird. In der Praxis schwankt der Materialfluss des geschmolzenen Auftragsmaterials jedoch und kann zu Qualitätsproblemen und zum Ausschuss des gefertigten Bauteils führen.A major influencing factor for the operational reliability of a 3D printer and the quality of the melt layer application is the constant volume of the melted application material. On the one hand, there is a requirement for a constant material flow and, on the other hand, the print head must move through the material at a speed proportional to the speed of the extruded application material Move the extruder nozzle to avoid material jamming during layer build-up. In practice, however, the material flow of the melted application material fluctuates and can lead to quality problems and scrap of the manufactured component.
Die Steuerung des Extrusionsprozesses in der additiven Fertigung erfolgt üblicherweise über voreingestellte Werte, sodass lediglich in einer offenen Wirkungsweise ein voreingestellter Vorschub ausgeführt und somit ein vorgegebener Materialfluss verwendet wird. Eine Anpassung des Vorschubes und somit des Materialflusses findet häufig während des Prozesses nicht statt, sodass während des 3D-Druckens auftretende Störgrößen nicht berücksichtig und/oder ausgeglichen werden.The extrusion process in additive manufacturing is usually controlled using preset values, so that a preset feed rate is only carried out in an open mode of operation and a predetermined material flow is therefore used. An adjustment of the feed and thus the material flow often does not take place during the process, so that disturbances that occur during 3D printing are not taken into account and/or compensated for.
Aus der
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.The object of the invention is to improve the state of the art.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials mit einer Vorschubkraft, einer Heizeinheit zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, und die Vorrichtung zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse eine Kraftaufnahmeeinheit aufweist, wobei die Vorrichtung eine starre Halteeinheit aufweist, wobei die Extruderdüse an der starren Halteeinheit angeordnet ist, und die Vorrichtung einen federnden Hebelarm aufweist, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit verbunden ist und die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, sodass eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft mittels der Kraftaufnahmeeinheit erfassbar und mittels der Regeleinrichtung zur Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit zum Einstellen eines konstanten Auftragsmaterialflusses nutzbar ist.The task is solved by a device for melting and extruding a base material for a melt layer application, the device having a feed unit for advancing the base material and a melted application material with a feed force, a heating unit for melting the base material into the melted application material and an extruder nozzle for extruding the molten application material for the melt layer application, wherein the device has a control device or the device is assigned a control device, and the device has a force receiving unit between the feed unit and the extruder nozzle, the device having a rigid holding unit, the extruder nozzle being arranged on the rigid holding unit is, and the device has a resilient lever arm, wherein the feed unit is arranged on the resilient lever arm, the resilient lever arm is connected to the rigid holding unit and the force-receiving unit is arranged on the resilient lever arm, so that a force directed opposite to the feed force is generated by means of the force-receiving unit can be detected and used by means of the control device to regulate a feed speed of the feed unit to set a constant application material flow.
Somit wird eine Vorrichtung bereitgestellt, bei der mittels der Regeleinrichtung zur Regelung des Vorschubs des Grundmaterials und des geschmolzenen Auftragsmaterials der Materialfluss unmittelbar und aktiv beeinflussbar ist. Vor allem ist zeitnah während des Extrudierens ein konstanter Materialfluss des Auftragsmaterials aufgrund der Messwerte der Kraftaufnahmeeinheit mittels einer Rückkopplung über die Regeleinrichtung einstellbar.A device is thus provided in which the material flow can be influenced directly and actively by means of the control device for regulating the feed of the base material and the melted application material. Above all, a constant material flow of the application material can be set promptly during extrusion based on the measured values of the force absorption unit by means of feedback via the control device.
Es ist besonders vorteilhaft, dass die Kraftaufnahmeeinheit, welche die zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert, direkt innerhalb des Extruders zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse angeordnet ist. Somit ist die Vorschubkraft und folglich die Vorschubgeschwindigkeit des Grundmaterials und des geschmolzenen Auftragsmaterials direkt und zeitnah während des Extrudierens korrigierbar und regelbar. Dadurch, dass die Kraftaufnahmeeinheit direkt innerhalb der Vorrichtung integriert ist, wird die Baugröße des Extruders nicht oder nur geringfügig erhöht. Zudem kann die Kraftaufnahmeeinheit derart angeordnet sein, dass eine Beweglichkeit der Extruderdüse und/oder eines Druckkopfes im Bauraum während des Auftragens nicht behindert und/oder eingeschränkt wird.It is particularly advantageous that the force absorption unit, which detects the force directed opposite to the feed force, is arranged directly inside the extruder between the feed unit and the extruder nozzle. Thus, the feed force and consequently the feed speed of the base material and the melted application material can be corrected and regulated directly and promptly during extrusion. Because the force absorption unit is integrated directly within the device, the size of the extruder is not increased or only increased slightly. In addition, the force absorption unit can be arranged in such a way that mobility of the extruder nozzle and/or a print head in the installation space is not hindered and/or restricted during application.
Somit ermöglicht die Vorrichtung mittels einer direkt regelbaren Extruderdüse ein optimales additives Fertigungsverfahren. Folglich werden die additive Fertigung und die plastische Verarbeitung insbesondere von Kunststoffen verbessert.The device thus enables an optimal additive manufacturing process using a directly controllable extruder nozzle. As a result, additive manufacturing and plastic processing, particularly of plastics, are being improved.
Durch die Kraftmessung am Extruder mittels der Kraftaufnahmeeinheit in Verbindung mit einem intelligenten Regelkreis der Regeleinrichtung ist die Qualität des Schmelzschichtauftrages beispielsweise auf eine Bauplattform messbar und/oder verbessert. Dadurch kann mittels der Vorrichtung die Produktivität erhöht und ein entsprechender 3D-Drucker als Industrie 4.0-Komponente ausgestaltet werden.By measuring the force on the extruder using the force absorption unit in conjunction with an intelligent control circuit of the control device, the quality of the melt layer application, for example on a construction platform, can be measured and/or improved. This means that productivity can be increased using the device and a corresponding 3D printer can be designed as an Industry 4.0 component.
Üblicherweise weist die Extruderdüse einen geringeren Querschnitt als das feste Grundmaterial (Filament) auf und das Grundmaterial wird mittels der Heizeinheit in das geschmolzene Auftragsmaterial mit einer flüssigen bis pastösen Viskosität überführt. Dazu wird üblicherweise eine Vorschubkraft benötigt, um das Grundmaterial in Richtung zur Extruderdüse vorzuschieben und das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Hierbei wird die Vorschubeinheit mit einer der Vorschubkraft entgegengesetzten Kraft beaufschlagt, welche notwendig ist, um das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Die Kraftaufnahmeeinheit ist in der Vorrichtung (Extruder) derart integriert, dass diese entgegengesetzt gerichtete Kraft zwischen der Extruderdüse und der Vorschubeinheit detektiert wird. Somit wird durch die Kraftmessung mittels der Kraftaufnahmeeinheit eine Alternative zu einer Druckmessung bei einer Extrudiervorrichtung bereitgestellt.The extruder nozzle usually has a smaller cross section than the solid base material (filament) and the base material is converted into the molten application material with a liquid to pasty viscosity by means of the heating unit. For this purpose, a feed force is usually required to advance the base material towards the extruder nozzle and to push the melted application material through the extruder nozzle. Here, the feed unit is subjected to a force opposite to the feed force, which is necessary to push the melted application material through the extruder nozzle. The force absorption unit is integrated into the device (extruder) in such a way that this oppositely directed force is detected between the extruder nozzle and the feed unit. The force measurement using the force absorption unit thus provides an alternative to pressure measurement in an extrusion device.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine Kraftaufnahmeeinheit direkt zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse einer Extrudiervorrichtung, insbesondere direkt zwischen Vorschubeinheit und thermischer Barriere, welche üblicherweise vor der Heizeinheit zur Trennung von Vorschubeinheit und Heizeinheit sitzt, angeordnet ist und mittels der Kraftaufnahmeeinheit eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert und in einem geschlossenen Regelkreis von der Regeleinrichtung zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit verwendet wird und dadurch direkt und zeitnah ein konstanter Auftragsmaterialfluss einstellbar ist.An essential idea of the invention is based on the fact that a force absorption unit is arranged directly between the feed unit and the extruder nozzle of an extrusion device, in particular directly between the feed unit and the thermal barrier, which is usually located in front of the heating unit for separating the feed unit and heating unit, and by means of the force absorption unit The force directed opposite to the feed force is detected and used in a closed control loop by the control device to regulate the feed speed of the feed unit, and a constant flow of application material can therefore be set directly and promptly.
Folgendes Begriffliche sei erläutert:The following terms are explained:
Eine „Vorrichtung“ (auch „Extrudiervorrichtung“ oder „Extruder“ genannt) ist insbesondere eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials. In der Vorrichtung wird ein insbesondere festes Grundmaterial mittels einer Vorschubeinheit in Richtung auf die Extruderdüse vorgeschoben und mittels einer Heizeinheit wird das Grundmaterial während des Vorschiebens zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial aufgeschmolzen, wobei das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse extrudiert wird.A “device” (also called an “extrusion device” or “extruder”) is in particular a device for melting and extruding a base material. In the device, a particularly solid base material is advanced towards the extruder nozzle by means of a feed unit and the base material is melted into the molten application material during the advance by means of a heating unit, the molten application material being extruded through the extruder nozzle.
Ein „Grundmaterial“ (auch Ausgangsmaterial genannt) ist insbesondere ein festes Material, welches aufgeschmolzen und im geschmolzenen Zustand als Auftragsmaterial extrudiert wird. Ein Grundmaterial weist insbesondere Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Glas und/oder Metall und/oder Metalllegierung auf. Ein Grundmaterial kann auch Carbon- und/oder Graphitmaterial aufweisen. Zudem kann ein Grundmaterial auch Carbon-, Graphit- und/oder Glasfasern aufweisen.A “base material” (also called starting material) is in particular a solid material that is melted and extruded in the melted state as an application material. A base material includes in particular plastic, synthetic resin, ceramic, glass and/or metal and/or metal alloy. A base material can also include carbon and/or graphite material. In addition, a base material can also have carbon, graphite and/or glass fibers.
Unter „Extrudieren“ wird insbesondere ein Pressen des geschmolzenen, zähflüssigen Auftragsmaterials durch die Extruderdüse verstanden.“Extruding” is understood to mean, in particular, pressing the molten, viscous application material through the extruder nozzle.
Unter einem „Schmelzschichtauftrag“ wird insbesondere ein schichtweiser Auftrag von geschmolzenem, extrudierten Auftragsmaterials mittels der Vorrichtung auf eine Bau- und/oder Werkstückplattform verstanden. Beim Schmelzschichtauftrag erfolgt der Aufbau eines Körpers und/oder Bauteils üblicherweise, indem der 3D-Druckkopf wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abfährt und die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass eine Form des Körpers und/oder Bauteils schichtweise entsteht.A “melt layer application” is understood to mean, in particular, a layer-by-layer application of melted, extruded application material using the device onto a construction and/or workpiece platform. When applying a melt layer, a body and/or component is usually built up by the 3D printing head repeatedly moving over a working plane line by line and stacking the working plane upwards, so that a shape of the body and/or component is created in layers.
Unter „Schmelzen“ wird insbesondere ein Phasenübergang eines festen Grundmaterials in den pastösen oder flüssigen Aggregatzustand verstanden, sodass ein geschmolzenes Auftragsmaterial (geschmolzenes Grundmaterial) vorliegt. Das Schmelzen erfolgt insbesondere während des Vorschiebens des Grundmaterials in Richtung auf die Extruderdüse mittels der Heizeinheit. Bei einer „Heizeinheit“ (auch „Hot End“ genannt) handelt es sich insbesondere um ein Heizelement, mit welchem dem Grundmaterial Wärme zugeführt wird. Bei einem Heizelement kann es sich insbesondere um ein elektrisches und/oder induktives Heizelement handeln. Bei einem Heizelement kann es sich auch um ein mit einem Wärmeträger betriebenes Heizelement, zum Beispiel ein mit heißem Öl oder Heißwasser durchflossenen Heizelement, handeln. Die Heizeinheit ist insbesondere vor der Extruderdüse angeordnet oder in dieser integriert, sodass eine beheizte Extruderdüse vorliegt. Mittels der Heizeinheit wird das Grundmaterial insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 60 °C bis 450 °C, bevorzugt zwischen 180 °C bis 300 °C zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial aufgeschmolzen.“Melting” is understood in particular to mean a phase transition of a solid base material into the pasty or liquid state of aggregation, so that a molten application material (molten base material) is present. The melting takes place in particular while the base material is being advanced towards the extruder nozzle by means of the heating unit. A “heating unit” (also called “hot end”) is in particular a heating element with which heat is supplied to the base material. A heating element can in particular be an electrical and/or inductive heating element. A heating element can also be a heating element operated with a heat transfer medium, for example a heating element through which hot oil or hot water flows. The heating unit is in particular arranged in front of the extruder nozzle or integrated into it, so that a heated extruder nozzle is present. By means of the heating unit, the base material is melted into the molten application material, in particular at a temperature in a range between 60 ° C and 450 ° C, preferably between 180 ° C and 300 ° C.
Eine „Extruderdüse“ ist insbesondere ein technisches Bauteil der Vorrichtung zur Beeinflussung des geschmolzenen Auftragsmaterials beim Übertritt von einer Rohrströmung in den freien Raum beim Schmelzschichtauftrag. Durch die Extruderdüse wird insbesondere das zähflüssige, geschmolzene Auftragsmaterial geformt. Die Extruderdüse weist auf ihrer gesamten Länge insbesondere eine gleiche Querschnittsfläche auf oder verjüngt sich hin zur Extruderdüsenöffnung zum Austritt des geschmolzenen Auftragsmaterials aus der Extruderdüse. Die Extruderdüse weist insbesondere eine Extruderdüsenöffnung (Auslass) mit einem Durchmesser in einem Bereich von 0,2 bis 0,8 mm, bevorzugt von 0,25 bis 0,4 mm, auf. An der Extruderdüse liegt insbesondere ein Druck in einem Bereich von 10 bis zu 1.500 Bar und/oder eine Temperatur von 60 °C bis 300 °C vor.An “extruder nozzle” is in particular a technical component of the device for influencing the molten application material as it passes from a pipe flow into the free space during melt layer application. The extruder nozzle in particular shapes the viscous, melted application material. The extruder nozzle has, in particular, the same cross-sectional area over its entire length or tapers towards the extruder nozzle opening for the molten application material to emerge from the extruder nozzle. The extruder nozzle in particular has an extruder nozzle opening (outlet) with a diameter in a range from 0.2 to 0.8 mm, preferably from 0.25 to 0.4 mm. In particular, the extruder nozzle has a pressure in a range of 10 to 1,500 bar and/or a temperature of 60 °C to 300 °C.
Eine „Vorschubeinheit“ ist beispielsweise eine Einrichtung der Extrudiervorrichtung, welche das feste Grundmaterial in Richtung auf die Extruderdüse und somit das aus dem Grundmaterial geschmolzene Auftragsmaterial fördert. Die Vorschubeinheit weist insbesondere einen Antrieb und/oder Motor auf. Die Vorschubeinheit wandelt insbesondere die rotatorische Motorbewegung in eine translatorische Vorschubbewegung des Grundmaterials (Filamentes) mit einer Vorschubkraft um.A “feed unit”, for example, is a device of the extrusion device which conveys the solid base material towards the extruder nozzle and thus the application material melted from the base material. The feed unit in particular has a drive and/or motor. The feed unit converts in particular the rotary motor movement into a translational feed movement of the base material (filament) with a feed force.
Unter „Vorschubkraft“ wird beispielsweise die Kraft einer Vorschubbewegung verstanden, mit welcher das Grundmaterial kontinuierlich durch die Vorrichtung von der Vorschubeinheit bis zur Extruderdüse geführt und somit das Grundmaterial und das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Vorrichtung hindurchbewegt und/oder gepresst wird.“Feed force” is understood to mean, for example, the force of a feed movement with which the base material is continuously guided through the device from the feed unit to the extruder nozzle and thus the base material and the melted application material are moved and/or pressed through the device.
Eine „entgegengesetzt gerichtete Kraft“ ist eine Kraft, welche der Vorschubkraft entgegengerichtet ist. Da entsprechend dem Grundsatz der technischen Mechanik allgemein die Vorschubkraft nur so groß wie die entgegengesetzte Kraft als Gegenkraft ist, wird insbesondere die Vorschubeinheit mit einer entgegengesetzt gerichteten Kraft beaufschlagt, welche notwendig ist, um das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Somit wird mittels der Kraftaufnahmeeinheit die zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert und folglich entsprechend auch die Vorschubkraft. Die entgegengesetzt gerichtete Kraft weist insbesondere eine Richtung auf, welche in umgekehrter Richtung zur Richtung der Vorschubkraft liegt. Bei der entgegengesetzt gerichteten Kraft kann es sich aber auch um eine Kraft handeln, welche jegliche, von der Richtung der Vorschubkraft abweichende und/oder unterschiedliche Richtung aufweist. Somit kann es sich bei der entgegengesetzt gerichteten Kraft beispielsweise auch um eine Kraft mit einer Richtung senkrecht zur Richtung der Vorschubkraft handeln.An “opposite force” is a force that is directed in the opposite direction to the feed force. Since, according to the principle of technical mechanics, the feed force is generally only as large as the opposite force as a counterforce, the feed unit in particular is subjected to an oppositely directed force, which is necessary to press the molten application material through the extruder nozzle. The force that is directed in the opposite direction to the feed force is thus detected by means of the force receiving unit and consequently also the feed force. The oppositely directed force has, in particular, a direction which is in the opposite direction to the direction of the feed force. With the force directed in the opposite direction However, it can also be a force that has any direction that deviates and/or is different from the direction of the feed force. The oppositely directed force can therefore also be, for example, a force with a direction perpendicular to the direction of the feed force.
Eine „Kraftaufnahmeeinheit“ ist insbesondere ein Messaufnehmer zum Messen einer Kraft. Die Kraftaufnahmeeinheit misst insbesondere eine Kraft, welche auf die Kraftaufnahmeeinheit einwirkt. Bei einer Kraftaufnahmeeinheit kann es sich insbesondere auch um einen Kraftsensor, einen Kraftaufnehmer und/oder eine Kraftmessdose handeln. Die Kraftaufnahmeeinheit misst insbesondere eine elastische Verformung, wobei Zug- und/oder Druckkräfte gemessen werden können. Mittels der Kraftaufnahmeeinheit wird insbesondere auch eine Dehnung und/oder Dehnungskraft detektiert. Eine Kraftaufnahmeeinheit ist beispielsweise ein piezoelektrischer Kraftsensor, ein Dehnungssensor und/oder ein Aufnehmer auf Basis eines Dehnungsmessstreifens.A “force recording unit” is in particular a sensor for measuring a force. The force absorption unit measures in particular a force which acts on the force absorption unit. A force recording unit can in particular also be a force sensor, a force transducer and/or a load cell. The force recording unit measures in particular an elastic deformation, whereby tensile and/or compressive forces can be measured. In particular, a strain and/or expansion force is also detected by means of the force absorption unit. A force recording unit is, for example, a piezoelectric force sensor, a strain sensor and/or a transducer based on a strain gauge.
Eine „Regeleinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung, welche einen Messwert rückkoppelt und jeweils einen Stellwert einstellt. Mittels der Regeleinrichtung wird eine Regelgröße auch bei Einwirken einer Störung insbesondere entweder möglichst konstant gehalten (Festwertregelung) oder so beeinflusst, dass diese einer vorgegebenen zeitlichen Änderung folgt (Folgeregelung). Die Regeleinrichtung verwendet insbesondere die mittels der Kraftaufnahmeeinheit gemessene entgegengesetzt gerichtete Kraft und vergleicht diese mit einer gewählten Führungsgröße. Aufgrund der in der Regeleinrichtung bestimmten Regelabweichung erfolgt eine Anpassung der Vorschubkraft der Vorschubeinheit und somit der Vorschubgeschwindigkeit, dass insbesondere ein konstanter Auftragsmaterialfluss vorliegt. Die Regeleinrichtung weist insbesondere einen geschlossenen Regelkreis auf, um aktiv in den Vorschub der Extrudiervorrichtung einzugreifen und aktiv die Prozesse des Extrudierens zu regeln. Die Regeleinrichtung ist insbesondere im Gehäuse der Vorrichtung angeordnet oder die Regeleinrichtung ist der Vorrichtung extern zugeordnet und beide sind zumindest datentechnisch miteinander verbunden. Die Regeleinrichtung weist insbesondere einen Computer und/oder einen Mikrocontroller auf.A “control device” is in particular a device that feeds back a measured value and sets a control value. By means of the control device, a controlled variable is either kept as constant as possible (fixed value control) or influenced in such a way that it follows a predetermined time change (sequence control), even when a disturbance occurs. The control device uses in particular the oppositely directed force measured by the force absorption unit and compares this with a selected reference variable. Due to the control deviation determined in the control device, the feed force of the feed unit and thus the feed speed are adjusted so that in particular there is a constant flow of application material. The control device in particular has a closed control loop in order to actively intervene in the feed of the extrusion device and to actively regulate the extrusion processes. The control device is in particular arranged in the housing of the device or the control device is assigned externally to the device and both are connected to one another at least in terms of data technology. The control device has in particular a computer and/or a microcontroller.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorschubeinheit einen Schrittmotor auf, wobei der Schrittmotor mittels der Regeleinrichtung aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft regelbar ist.In a further embodiment, the feed unit has a stepper motor, wherein the stepper motor can be regulated by means of the control device based on the detected oppositely directed force.
Somit wird zum Betrieb der Vorschubeinheit die rotatorische Bewegung mittels eines Schrittmotors realisiert, welcher präzise positionierbar ist und ein optimales Ansprechverhalten auf Geschwindigkeitsveränderungen sowie auf ein An- und Abfahren beim Starten und Stoppen aufweist. Somit ist eine genaue Reproduzierbarkeit der Vorschubbewegung ermöglicht und gewährleistet, dass die Regeleinrichtung im Betrieb in der Lage ist, die Drehzahl des Schrittmotors an die vorgegebene Vorschubkraft anzupassen. Folglich stellt die Kraftaufnahmeeinheit zur Messung der entgegengesetzt gerichteten Kraft und somit proportional zu der Vorschubkraft die erforderlichen Parameter zur Regelung der Geschwindigkeit des Schrittmotors bereit. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der Vorschub präzise mittels des Schrittmotors als Antrieb erzeugt wird.Thus, to operate the feed unit, the rotary movement is realized by means of a stepper motor, which can be positioned precisely and has an optimal response to changes in speed as well as to starting and stopping when starting and stopping. This enables precise reproducibility of the feed movement and ensures that the control device is able to adapt the speed of the stepper motor to the specified feed force during operation. Consequently, the force recording unit provides the necessary parameters for measuring the force directed in the opposite direction and thus proportional to the feed force to regulate the speed of the stepper motor. It is particularly advantageous here that the feed is generated precisely using the stepper motor as a drive.
Ein „Schrittmotor“ ist insbesondere ein Synchronmotor, bei dem der Rotor als drehbares Motorteil der Welle durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes, elektromagnetisches Feld der Statorspulen als nicht drehbares Motorteil um einen kleinen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann. Bei einem Schrittmotor kann es sich insbesondere auch um einen Linearmotor handeln.A “stepper motor” is in particular a synchronous motor in which the rotor, as a rotatable motor part of the shaft, can be rotated by a small angle (step) or its multiple as a non-rotatable motor part by a controlled, step-by-step rotating electromagnetic field of the stator coils. A stepper motor can in particular also be a linear motor.
Um die entgegengesetzt gerichtete Kraft präzise am und/oder im Bereich des sich aufgrund des Vorschubs bewegenden festen Grundmaterials zu messen, ist die Kraftaufnahmeeinheit zwischen der Vorschubeinheit und der Heizeinheit angeordnet.In order to measure the oppositely directed force precisely on and/or in the area of the solid base material moving due to the feed, the force absorption unit is arranged between the feed unit and the heating unit.
Folglich wird die Kraft insbesondere am sich bewegenden festen Filament oder dem sich bewegenden festen Filament zugeordnet bestimmt, bevor dieses zum Auftragsmaterial aufgeschmolzen wird.Consequently, the force is determined in particular on the moving solid filament or assigned to the moving solid filament before it is melted into the application material.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine starre Halteeinheit auf, wobei die Extruderdüse an der starren Halterdüse angeordnet ist.According to the invention, the device has a rigid holding unit, with the extruder nozzle being arranged on the rigid holder nozzle.
Durch die feste Halterung der Extruderdüse an der starren Halteeinheit wird eine hohe Positionsgenauigkeit der Extruderdüse sichergestellt, welche für einen qualitativ hochwertigen Extrusionsprozess notwendig ist.By firmly holding the extruder nozzle on the rigid holding unit, a high level of positional accuracy of the extruder nozzle is ensured, which is necessary for a high-quality extrusion process.
Unter einer „starren Halteeinheit“ wird insbesondere ein Verbindungselement verstanden, welches die Extruderdüse in einer bestimmten Position hält, wobei die Halteeinheit selbst starr und somit nicht verformbar und nicht elastisch ist.A “rigid holding unit” is understood to mean, in particular, a connecting element which holds the extruder nozzle in a certain position, the holding unit itself being rigid and therefore not deformable and not elastic.
Um einen Biegebalken auszubilden, weist die Vorrichtung einen federnden Hebelarm auf, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist und der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit verbunden ist.In order to form a bending beam, the device has a resilient lever arm, the feed unit being arranged on the resilient lever arm and the resilient lever arm being connected to the rigid holding unit.
Ein „federnder Hebelarm“ ist insbesondere ein Balken oder Hebel, welcher auf einer Seite befestigt ist und bei dem auf der entgegengesetzten Seite eine Krafteinleitung erfolgt. Somit wird die Vorschubeinheit über den federnden Hebelarm federnd gelagert und aufgrund der Vorschubkraft und der dadurch auftretenden entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der federnde Hebelarm mit einer Dehnung und/oder Biegung beaufschlagt, welche mittels der Kraftaufnahmereinheit detektiert ist.A “resilient lever arm” is in particular a beam or lever that is attached to one side and to which force is applied on the opposite side. The feed unit is thus resiliently mounted via the resilient lever arm and due to the feed force and the opposing force that occurs as a result, the resilient lever arm is subjected to an expansion and/or bending, which is detected by means of the force absorbing unit.
Erfindungsgemäß ist die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet.According to the invention, the force absorption unit is arranged on the resilient lever arm.
Somit wird ein Biegebalken zur Kraftmessung ausgebildet, wobei an dem federnden Hebelarm beispielsweise als Kraftsensor ein Dehnungsmessstreifen ist oder mehrere Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Hierbei wird die Vorschubeinheit aufgrund der federnden Lagerung am Hebelarm in vertikaler Richtung elastisch bewegt und resultierend durch die Vorschubkraft der Vorschubeinheit und dem entsprechenden Einwirken der entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der Hebelarm elastisch verbogen. Dadurch ändert sich die Dehnung der beispielsweise längs au der Ober- und/oder Unterseite angebrachten Dehnungsmessstreifen. Folglich wird eine hochgenaue Messung der Kraft ermöglicht.Thus, a bending beam is formed for force measurement, with a strain gauge or a plurality of strain gauges being arranged on the resilient lever arm, for example as a force sensor. Here, the feed unit is moved elastically in the vertical direction due to the resilient mounting on the lever arm and as a result of the feed force of the feed unit and the corresponding action of the oppositely directed force, the lever arm is bent elastically. This changes the strain of the strain gauges attached, for example, along the top and/or bottom. Consequently, a highly accurate measurement of the force is made possible.
Bei der Ausführung als Biegebalken wird das feste Grundmaterial (Filament) zwischen dem Ausgang der Vorschubeinheit und dem Eingang der thermischen Barriere und/oder der Heizeinheit insbesondere durch einen Freiraum geschoben, welcher zwischen dem federnden Hebelarm und der daran verbundenen starren Halteeinheit ausgebildet ist.When designed as a bending beam, the solid base material (filament) is pushed between the output of the feed unit and the input of the thermal barrier and/or the heating unit, in particular through a free space which is formed between the resilient lever arm and the rigid holding unit connected to it.
In dem Freiraum zwischen der Unterseite des federnden Hebelarms und der starren Halteeinheit und somit zwischen der Unterseite der Vorschubeinheit und der Oberseite einer thermischen Barriere und/oder der Heizeinheit kann das Filament auch durch einen umgebenden Schlauch geschützt werden, wobei der Schlauch bevorzugt flexibel und/oder dehnbar ist. Dieser flexible und/oder dehnbare Schlauch ist zwischen dem federnden Hebelarm und der starren Halteeinheit insbesondere derart im Freiraum angeordnet, dass dieser nicht die Vorschubkraft aufnimmt. Dazu kann der flexible und/oder dehnbare Schlauch beispielsweise nur auf der Oberseite der starren Halteeinheit aufliegen, während dieser die Unterseite des federnden Hebelarmes nicht berührt und folglich die Kraftmessung am federnden Hebelarm nicht beeinflusst.In the free space between the underside of the resilient lever arm and the rigid holding unit and thus between the underside of the feed unit and the top of a thermal barrier and/or the heating unit, the filament can also be protected by a surrounding hose, the hose preferably being flexible and/or is stretchy. This flexible and/or stretchable hose is arranged in the free space between the resilient lever arm and the rigid holding unit in particular in such a way that it does not absorb the feed force. For this purpose, the flexible and/or stretchable hose can, for example, only rest on the top of the rigid holding unit, while it does not touch the underside of the resilient lever arm and consequently does not influence the force measurement on the resilient lever arm.
Um ein optimales Zuführen, Vorschieben und Aufschmelzen des Grundmaterials in der Vorrichtung zu ermöglichen, weist das Grundmaterial ein thermoplastisches Material in Form eines Filamentes auf.In order to enable optimal feeding, advancing and melting of the base material in the device, the base material has a thermoplastic material in the form of a filament.
Bei einem „thermoplastischen Material“ handelt es sich insbesondere um einen Kunststoff, welcher sich in einem bestimmten Temperaturbereich thermoplastisch verformen lässt. Dieser Verformungsvorgang ist reversibel, sodass dieser durch Abkühlen und Wiedererwärmen bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden kann. Bei einem thermoplastischen Material handelt es sich insbesondere um ein Formwachs oder einen thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, ABS und/oder um ein thermoplastisches Elastomer.A “thermoplastic material” is in particular a plastic that can be thermoplastically deformed in a certain temperature range. This deformation process is reversible, so that it can be repeated as often as desired by cooling and reheating until it reaches the molten state. A thermoplastic material is in particular a molding wax or a thermoplastic, such as polyethylene, polypropylene, polylactide, ABS and/or a thermoplastic elastomer.
Ein „Filament“ ist insbesondere ein Druckfilament. Bei einem Filament handelt es sich insbesondere um eine einzige Faser oder um Fasern beliebiger Länge. Bei einem Filament kann es sich auch um einen Draht handeln. Ein Filament weist insbesondere einen Durchmesser in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 mm, bevorzugt von 1,75 bis 3,0 mm, auf.A “filament” is in particular a printing filament. A filament is in particular a single fiber or fibers of any length. A filament can also be a wire. A filament in particular has a diameter in a range from 0.5 to 5.0 mm, preferably from 1.75 to 3.0 mm.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung als Direkt-Extruder oder als Bowden-Extruder ausgebildet.In a further embodiment, the device is designed as a direct extruder or as a Bowden extruder.
Somit sind mittels der Vorrichtung verschiedene Extruder-Typen mit einem optimalen Schmelzschichtauftrag realisierbar.This means that different types of extruders with an optimal melt layer application can be implemented using the device.
Bei einem „Direkt-Extruder“ befindet sich insbesondere die Vorschubeinheit und somit der Schrittmotor, welcher das Filament zuführt, direkt am Druckkopf und somit an der Extruderdüse. Dagegen wird beim „Bowden-Extruder“ die Vorschubeinheit und somit der Schrittmotor in einem vorgegebenen Abstand zu dem Druckkopf und somit der Extruderdüse platziert, wodurch das Gewicht auf die Mechanik des Druckkopfes minimiert und Vibrationen vermieden werden. Hierbei wird das Filament von der Vorschubeinheit üblicherweise durch einen langen flexiblen PTFE-Schlauch bis zum Hot End (beheizte Extruderdüse) geführt.In a “direct extruder”, the feed unit and therefore the stepper motor that feeds the filament is located directly on the print head and therefore on the extruder nozzle. In contrast, with the “Bowden extruder”, the feed unit and thus the stepper motor are placed at a predetermined distance from the print head and thus the extruder nozzle, which minimizes the weight on the mechanics of the print head and avoids vibrations. The filament is usually guided from the feed unit through a long, flexible PTFE hose to the hot end (heated extruder nozzle).
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Drucker zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform, wobei der Drucker mindestens eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag aufweist.In a further aspect of the invention, the object is achieved by a printer for 3D printing by means of melt layer application on a construction platform, the printer having at least one previously described device for melting and extruding a base material for a melt layer application.
Somit wird ein sich selbst regelnder Drucker zum 3D-Drucken bereitgestellt, bei dem ein Materialstau des aufgeschmolzenen Auftragsmaterials vermieden und ein optimaler Schmelzschichtauftrag auf die Bauplattform gewährleistet wird. Dadurch wird mittels des Druckers insbesondere im industriellen Bereich die Produktivität erhöht und eine Industrie 4.0-Komponente bereitgestellt. Folglich wird bei diesem Drucker aufgrund der Extruder-Kraftmessung in Verbindung mit dem intelligenten Regelkreis der Regeleinrichtung die Qualität der Druckleistung erfasst und optimal genutzt.This provides a self-regulating printer for 3D printing, in which a material jam of the melted application material is avoided and an optimal melt layer application on the build platform is ensured. This increases productivity using the printer, particularly in the industrial sector, and provides an Industry 4.0 component. Consequently, with this printer, due to the extruder force measurement Solution in conjunction with the intelligent control circuit of the control device records the quality of the printing performance and uses it optimally.
In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung, wobei die Extrudiervorrichtung eine Vorschubeinheit, eine Heizeinheit, eine Extruderdüse und eine Kraftaufnahmeeinheit aufweist, und die Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, mit folgenden Schritten:
- - Vorschieben eines Grundmaterials in der Extrudiervorrichtung mittels der Vorschubeinheit mit einer Vorschubkraft,
- - Schmelzen des Grundmaterials zu einem geschmolzenen Auftragsmaterial mittels der Heizeinheit,
- - Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials durch die Extruderdüse für einen Schmelzschichtauftrag,
- - Erfassen einer zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Kraftaufnahmeeinheit während des Vorschiebens und Extrudierens, und
- - Regeln einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Regeleinrichtung derart, dass ein konstanter Auftragsmaterialfluss einstellbar ist.
- - advancing a base material in the extrusion device by means of the feed unit with a feed force,
- - Melting the base material into a melted application material using the heating unit,
- - extruding the melted application material through the extruder nozzle for a melt layer application,
- - Detecting a force directed opposite to the feed force by means of the force absorption unit during the feed and extrusion, and
- - Regulating a feed speed of the feed unit based on the detected oppositely directed force by means of the control device in such a way that a constant flow of application material can be set.
Mittels des Verfahrens wird eine intelligente Regelung des Vorschubes in einer Extrudiervorrichtung bei einem additiven Fertigungsverfahren mittels der Extruderkraft zur Bereitstellung eines konstanten Materialflusses realisiert. Das Verfahren verwendet insbesondere eine Extrudiervorrichtung, wobei es sich bei der Extrudiervorrichtung um eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag handeln kann.The method enables intelligent control of the feed in an extrusion device in an additive manufacturing process using the extruder force to provide a constant material flow. The method uses in particular an extrusion device, whereby the extrusion device can be a previously described device for melting and extruding a base material for a melt layer application.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Extruders mit einem Kraftsensor angeordnet zwischen einer Vorschubeinheit und einer thermischen Barriere, -
2 eine Alternative eines Extruders mit einem Biegebalken und einem starren Halter, und -
3 die Darstellung eines geschlossenen Regelkreises zum Regeln einer Ist-Extrusionsmenge.
-
1 a highly schematic sectional view of an extruder with a force sensor arranged between a feed unit and a thermal barrier, -
2 an alternative of an extruder with a bending beam and a rigid holder, and -
3 the representation of a closed control loop for regulating an actual extrusion quantity.
Ein Extruder 101 weist eine Vorschubeinheit 103 mit einem Schrittmotor 105 auf. An der Vorschubeinheit ist eine Regeleinrichtung 117 angeordnet, welche extern jeweils mittels eines Strom- und Datenkabels verbunden ist (siehe
Der Extruder 101 weist von einer Oberseite der Vorschubeinheit 103 bis zu einem Auslass der Extruderdüse 113 einen durchgehenden Freiraum auf, durch welchen ein Filament 119 geführt ist. Das Filament 119 weist einen Durchmesser von 3 mm auf. Dagegen weist der Auslass der Extruderdüse 113 einen Durchmesser von 0,25 mm auf.The
Folgende Arbeitsvorgänge werden mit dem Extruder 101 realisiert:The following work processes are carried out with the extruder 101:
Das Filament 119 wird kontinuierlich durch die Vorschubeinheit 103 angetrieben durch den Schrittmotor 105 durch den Freiraum durch den Kraftsensor 107, die thermische Barriere 109, das Heizelement 111 und die Extruderdüse 113 gefördert. Hierbei dient die thermische Barriere 109 zur thermischen Trennung des heißen Heizelementes 111 von der zuvor angeordneten Vorschubeinheit 103. Mittels des Heizelementes 111 wird das Filament, welches Polylactide aufweist, auf eine Temperatur von 200 °C erwärmt, wodurch dieses in einen geschmolzenen pastösen Zustand übergeht. Das aufgeschmolzene Filament wird mit einem hohen Druck durch die Extruderdüse 113 gepresst und als geschmolzenes Auftragsmaterial 121 als Schmelzschichtauftrag auf die Plattform 115 aufgebracht.The
Während des kontinuierlichen Vorschubs des Filaments 119 wird mittels des Kraftsensors 107 eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft kontinuierlich gemessen, welche aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Filamentes und des Auslasses der Extruderdüse 113 sowie einer Durchmesserverengung in der Extruderdüse 113 auftritt. Die mittels des Kraftsensors 107 ermittelten Kraft-Messwerte werden an die Regeleinrichtung 117 übertragen und zum Regeln der Vorschubgeschwindigkeit des Filamentes 119 mittels der Vorschubeinheit derart verwendet, dass ein konstanter Auftragsmaterialfluss des geschmolzenen Auftragsmaterials 121 vorliegt.During the continuous feed of the
In einer Alternative weist ein Extruder 201 eine Vorschubeinheit 203 auf, welche an einem Biegebalken 223 angeordnet ist. An einem der Vorschubeinheit 203 entgegengesetzten Ende des Biegebalkens 223 ist der Biegebalken 223 mittels zweier Schrauben 227 an einem starren Halter 225 befestigt (siehe
An der den Schrauben 227 gegenüberliegenden Seite des starren Halters 225 ist eine thermische Barriere 209 gefolgt von einem Heizelement 211 und einer Extruderdüse 213 angeordnet. Hierbei ist eine vertikale Öffnung zur Durchführung eines in
Auf der Oberseite des Biegebalkens 223 ist ein Kraftsensor 207, welcher als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist, aufgeklebt.A
Mit dem Extruder 201 werden die oben beschriebenen analogen Arbeitsvorgänge des Vorschiebens, Aufschmelzens und Extrudierens des Filamentes analog durchgeführt.With the
Mittels des starren Halters 225 wird die Extruderdüse 213 positionsgenau gehalten. Dagegen ist die Vorschubeinheit 203 über den flexiblen Biegebalken 223 federnd gelagert und in vertikaler Richtung elastisch bewegt. Aufgrund einer Vorschubkraft der Vorschubeinheit 203 und einer Einwirkung einer entsprechend entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der Biegebalken 223 mit einer Dehnung beaufschlagt, welche sich proportional zur Vorschubkraft verhält und mittels des Kraftsensors 207 erfasst wird. Vom Kraftsensor 207 werden die kontinuierlich bestimmten Kraft-Messwerte an die in
Zur Regelung wird im Extruder 201 eine Soll-Extrusionsmenge 231 vorgegeben und dieser Wert an die Regeleinrichtung 217 übergeben. In der Regeleinrichtung 217 wird ein Motorvorschub errechnet und zur Vorschubanpassung 235 an den in
Während des Aufschmelzens und Extrudierens auftretende Störgrößen, wie eine Durchmesserabweichung des Filamentes und eine minimale Temperaturabweichung an dem Heizelement 211, bewirken eine Änderung der Ist-Extrusionsmenge 239 und werden als Änderungen bei den gemessenen Kraft-Messwerte registriert und als Eingangsgröße 241 vom Kraftsensor 207 erfasst. Diese werden vom Kraftsensor 207 als Rückführung 243 an die Regeleinrichtung 217 zur Einstellung der erforderlichen Soll-Extrusionsmenge 231 übergeben. Somit wird über einen geschlossenen Regelkreis mittels des Kraftsensors 207 und der Regeleinrichtung 217 eine konstante Ist-Extrusionsmenge 239 und somit ein konstanter Auftragsmaterialfluss eingestellt.Disturbances occurring during melting and extrusion, such as a diameter deviation of the filament and a minimal temperature deviation at the
Folglich wird ein sich selbst regelnder Extruder 201 bereitgestellt, welcher eine kontinuierliche, gleichbleibende Auftragsqualität und somit Bauteil-Qualität gewährleistet.Consequently, a self-regulating
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 101101
- Extruderextruder
- 103103
- VorschubeinheitFeed unit
- 105105
- Schrittmotorstepper motor
- 107107
- KraftsensorForce sensor
- 109109
- Thermische BarriereThermal barrier
- 111111
- HeizelementHeating element
- 113113
- Extruderdüseextruder nozzle
- 115115
- Plattformplatform
- 117117
- RegeleinrichtungControl device
- 119119
- FilamentFilament
- 121121
- geschmolzenes Auftragsmaterialmelted application material
- 201201
- Extruderextruder
- 203203
- VorschubeinheitFeed unit
- 205205
- Schrittmotorstepper motor
- 207207
- KraftsensorForce sensor
- 209209
- Thermische BarriereThermal barrier
- 211211
- HeizelementHeating element
- 213213
- Extruderdüseextruder nozzle
- 217217
- RegeleinrichtungControl device
- 223223
- Biegebalkenbending beam
- 225225
- starrer Halterrigid holder
- 227227
- Schraubescrew
- 229229
- AbstandDistance
- 231231
- Soll-ExtrusionsmengeTarget extrusion quantity
- 233233
- Information der RegelabweichungInformation about the control deviation
- 235235
- VorschubanpassungFeed adjustment
- 237237
- StörgrößeDisturbance variable
- 239239
- Ist-ExtrusionsmengeActual extrusion quantity
- 241241
- EingangsgrößeInput size
- 243243
- Rückführungreturn
Claims (7)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102020115182.9A DE102020115182B4 (en) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | Device for melting and extruding a base material for a melt layer application, printer for 3D printing and method for regulating an application material flow of an extrusion device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020115182.9A DE102020115182B4 (en) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | Device for melting and extruding a base material for a melt layer application, printer for 3D printing and method for regulating an application material flow of an extrusion device |
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Publication Number | Publication Date |
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DE102020115182A1 DE102020115182A1 (en) | 2021-12-09 |
DE102020115182B4 true DE102020115182B4 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=78605394
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102020115182.9A Active DE102020115182B4 (en) | 2020-06-08 | 2020-06-08 | Device for melting and extruding a base material for a melt layer application, printer for 3D printing and method for regulating an application material flow of an extrusion device |
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20150224713A1 (en) | 2010-09-22 | 2015-08-13 | Stratasys, Inc. | Liquefier assembly for use in extrusion-based additive manufacturing systems |
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US20190217546A1 (en) | 2016-08-23 | 2019-07-18 | Stratasys, Inc. | Predictive flow control responses in an additive manufacturing system |
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-
2020
- 2020-06-08 DE DE102020115182.9A patent/DE102020115182B4/en active Active
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US20190118258A1 (en) | 2017-10-20 | 2019-04-25 | Desktop Metal, Inc. | Nozzle servicing techniques for additive fabrication systems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102020115182A1 (en) | 2021-12-09 |
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Legal Events
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